Հականյութի գոյության մասին տեսություններ
Հակամատերիան ժամանակակից ֆիզիկայի ամենահետաքրքիր հասկացություններից մեկն է, քանի որ այն հնչում է որպես մեզ հայտնի նյութի «երկվորյակ», բայց հակառակ հատկություններով: Հանրաճանաչ երևակայության մեջ հակամատերիան հաճախ պատկերվում է որպես գերվառելիք կամ վտանգավոր մի բան, քանի որ այն կարող է «պայթել» նյութի հետ շփվելիս: Այնուամենայնիվ, գիտաֆանտաստիկ պատմությունից այն կողմ, հակամատերիան իրական ֆիզիկական էակ է, որը դիտարկվում, արտադրվում և ուսումնասիրվում է լաբորատորիայում: Մեծ հարցն այն է, որ եթե հակամատերիան պետք է գոյություն ունենա նյութի հետ համեմատելի քանակությամբ, ապա ինչո՞ւ է մեր տեսած տիեզերքը գրեթե ամբողջությամբ կազմված նյութից:
Հականյութի հասկացողությունը և հասկացության ծագումը
Մասնիկների ֆիզիկայում յուրաքանչյուր տարրական մասնիկ, որպես կանոն, ունի հակամասնիկային համարժեք։ Հակամասնիկները ունեն նույն զանգվածը, ինչ իրենց համարժեքները, բայց հակառակ էլեկտրական լիցք և մի քանի այլ քվանտային թվեր։ Ամենապարզ օրինակը բացասական լիցքավորված էլեկտրոնն է, մինչդեռ դրա հակամասնիկային համարժեքը դրական լիցքավորված պոզիտրոնն է։ Նմանապես, պրոտոններն ունեն հակապրոտոններ, նեյտրոնները՝ հականեյտրոններ և այլն։
Հականյութի գաղափարը ծագել է քվանտային տեսության և հարաբերականության զարգացման արդյունքում: 1920-ականների վերջին Պոլ Դիրակը ձևակերպեց Դիրակի հավասարումը՝ էլեկտրոնները հարաբերականորեն նկարագրելու համար: Այս հավասարումը տվեց մաթեմատիկական լուծում, որը սկզբում հանելուկային էր. դրական էներգիայի լուծույթից բացի, կար նաև «բացասական» էներգիայի լուծույթ: Այն անտեսելու փոխարեն, Դիրակը մեկնաբանեց այս լուծումը որպես էլեկտրոնին նման, բայց հակառակ լիցքով մեկ այլ մասնիկի գոյության ցուցիչ: Այս կանխատեսումը հաստատվեց 1932 թվականին, երբ Կառլ Անդերսոնը հայտնաբերեց պոզիտրոնը տիեզերական ճառագայթների հետքերում: Այդ ժամանակվանից ի վեր հակամատերիան դարձել է մասնիկների ֆիզիկայի հիմնարար մաս:
Ինչպես է հակամատերիան «գոյություն ունենում» բնության մեջ
Տեսականորեն, հակամատերիան կարող է գոյություն ունենալ մի քանի մեխանիզմներով՝
1. Զույգերի արտադրություն
Բավականաչափ բարձր էներգիան կարող է վերածվել մասնիկ-հակամասնիկ զույգերի։ Օրինակ, բարձր էներգիայի ֆոտոնը կարող է առաջացնել էլեկտրոն և պոզիտրոն։ Այս գործընթացը պահանջում է ծայրահեղ պայմաններ, ինչպիսիք են ծանր ատոմային միջուկների մոտ գտնվելը, նեյտրոնային աստղերի մոտակայքում կամ բարձր էներգիայի մասնիկների բախումները։
2. Տիեզերական ճառագայթներ և աստղաֆիզիկական երևույթներ
Հակամատերիան նաև բնականորեն առաջանում է, երբ տիեզերական ճառագայթները բախվում են մթնոլորտի կամ միջաստղային նյութի հետ։ Հետևաբար, պոզիտրոններն ու հակապրոտոնները կարող են հայտնաբերվել տիեզերական սարքերի կողմից։ Սակայն դրանց քանակները շատ փոքր են, ավելի շատ նման են «փոշու», քան տիեզերքի հիմնական բաղադրիչի։
3. Բարձր էներգիայի միջուկային ռեակցիաներ
Անսովոր իրադարձությունների ժամանակ, ինչպիսիք են գերնոր աստղերի պայթյունները, սև խոռոչների շիթերը կամ գամմա ճառագայթների պայթյունները, հսկայական էներգիաները կարող են առաջացնել տարբեր մասնիկներ, այդ թվում՝ հակամասնիկներ։
Չնայած այն առկա է բնության մեջ, հակամատերիան հակված է արագ «անհետանալու», երբ հանդիպում է նյութին և ենթարկվում է ոչնչացման։
Աննիհիլացիա. Նյութը հանդիպում է հակամատերիային
Երբ մասնիկը հանդիպում է իր հակամասնիկին, դրանք կարող են ոչնչացնել միմյանց՝ զանգվածը վերածելով էներգիայի, սովորաբար գամմա ֆոտոնների կամ այլ մասնիկների տեսքով։ Ահա թե ինչու հակամատերիան «հազվագյուտ» է թվում առօրյա կյանքում. մեր աշխարհը գերիշխում է նյութը, ուստի եթե որևէ հակամատերիա հայտնվեր, այն արագ կբախվեր շրջապատող նյութին։
Աննիհիլյացիան չի նշանակում «անհետանալ առանց հետքի», այլ էներգիայի փոխակերպում՝ համաձայն Այնշտայնի էներգիայի և զանգված-էներգիայի պահպանման սկզբունքի (E=mc²): Այս գործընթացն է, որը հակամատերիան տեսականորեն դարձնում է էներգիայի համար այդքան գրավիչ, բայց գործնականում այդքան դժվար օգտագործելի, քանի որ դրա արտադրությունն ու պահպանումը շատ դժվար են:
Նյութի և հակամատերիայի անհավասարակշռության տեսություն (բարիոնային ասիմետրիա)
Տիեզերագիտության ամենամեծ հարցերից մեկն այն է, թե ինչու է տիեզերքը գերիշխում նյութի կողմից: Եթե Մեծ պայթյունը առաջացրել է նյութի և հակամատերիայի հավասար քանակություն, դրանք պետք է ոչնչացնեին միմյանց՝ թողնելով տիեզերք, որը լի էր միայն ճառագայթմամբ: Այն փաստը, որ գոյություն ունեն գալակտիկաներ, աստղեր, մոլորակներ և մարդիկ, ենթադրում է, որ սկզբում նյութի փոքր «ավելցուկ» է եղել հակամատերիայի նկատմամբ:
Այս երևույթը կոչվում է բարիոնային ասիմետրիա։ Բացատրելու համար, թե ինչու են բարիոնները (օրինակ՝ պրոտոններն ու նեյտրոնները) ավելի շատ, քան հակաբարիոնները, ֆիզիկոսները հղում են կատարում Սախարովի պայմաններին (1967), որոնք տիեզերքի համար նյութի անհավասարակշռություն առաջացնելու երեք պայմաններ են.
1. Պետք է լինի մի պրոցես, որը խախտում է բարիոնային թվի պահպանման օրենքը։
2. Պետք է լինի C (լիցք) և CP (լիցք-զուգորդություն) համաչափության խախտում։
3. Պետք է տեղի ունենա ջերմային հավասարակշռությունից դուրս վիճակ։
Մասնիկների ֆիզիկայի ստանդարտ մոդելում CP խախտումը գոյություն ունի (օրինակ՝ որոշակի մեզոնների քայքայման ժամանակ), սակայն դրա մեծությունը, կարծես, բավարար չէ մեր կողմից դիտարկվող նյութի գերիշխանությունը բացատրելու համար։ Սա բացում է նոր ֆիզիկայի հնարավորություն՝ ստանդարտ մոդելից այն կողմ։
CPT սիմետրիա և հակամատերիայի ֆիզիկական հատկություններ
Քվանտային դաշտի տեսության շրջանակներում գոյություն ունի CPT սիմետրիա կոչվող հիմնարար սկզբունք, որը երեք ձևափոխությունների համադրություն է՝ C (մասնիկները հակամասնիկներով փոխարինելը), P (տարածական կոորդինատների հակադարձումը հայելու նման) և T (ժամանակի ուղղության հակադարձումը): Ընդհանուր առմամբ, հարաբերականության տեսությանը և քվանտային մեխանիկային համապատասխանող տեսությունները կանխատեսում են, որ CPT-ն պետք է պահպանվի:
Հետևաբար, հակամատերիան պետք է ունենա նյութին շատ նման հատկություններ, ինչպիսիք են՝ նույն զանգվածը և նույն ատոմային էներգիայի սպեկտրը (հակառակ լիցքի նշաններով): Ճշգրիտ փորձերը, ներառյալ հակաջրածնի չափումները, շարունակում են ստուգել, թե արդյոք հակամատերիան իսկապես նույնական է նյութին բոլոր կանխատեսված առումներով: Մինչ օրս CPT-ն խախտող տարբերություններ չեն հայտնաբերվել, բայց ժամանակի ընթացքում թեստերը դառնում են ավելի խիստ:
Հակաջրածինը և հակամատերիան որսալու ջանքերը
Կարևոր նվաճումներից մեկը հակաջրածնի՝ հակապրոտոնից և պոզիտրոնից կազմված ատոմի հաջող ստեղծումն ու որսումն էր: CERN-ում անցկացված փորձերը, ինչպիսին է ALPHA-ն, հաջողությամբ հակաջրածինը պահեցին մագնիսական թակարդում բավականաչափ երկար՝ դրա հատկությունները չափելու համար: Հակաջրածնի սպեկտրի չափումը սովորական ջրածնի սպեկտրի հետ համեմատած ապահովում է հիմնարար սիմետրիաները ստուգելու բարձր զգայուն միջոց:
Հականյութի հետազոտությունների հիմնական մարտահրավերը պահեստավորումն է: Հականյութը չի կարող պահվել սովորական տարաների մեջ, քանի որ այն կշփվի նյութից կազմված պատերի հետ: Հետևաբար, էլեկտրամագնիսական թակարդներն օգտագործվում են բարձր վակուումում և գերցածր ջերմաստիճաններում, որպեսզի մասնիկները կարողանան «լևիտացվել» առանց նյութի հետ շփման:
Հականյութ և ձգողականություն. նույնն են՞
Մեկ այլ հետաքրքիր հարց. ինչպե՞ս է հակամատերիան արձագանքում ձգողականությանը: Ընդհանուր հարաբերականության տեսության համաձայն՝ ձգողականությունը կախված է էներգիայից և զանգվածից, ուստի հակամատերիան պետք է ընկնի ներքև՝ ինչպես նյութը: Սակայն սա ուղղակիորեն չափելը շատ դժվար է, քանի որ հակամատերիան դժվար է ստեղծել և պարունակել:
Ժամանակակից փորձերը փորձում են չափել հակաջրածնի անկման արագացումը: Եթե պարզվի, որ հակամատերիան տարբեր կերպ է ընկնում, դա կլինի խոշոր հայտնագործություն, որը կփոխի մեր պատկերացումները ձգողականության և բնության համաչափությունների մասին: Սակայն հիմնական տեսությունների մեծ մասը չի կանխատեսում էական տարբերություններ. նրանք փնտրում են հնարավոր փոքր շեղումներ, որոնք կարող են բացահայտել նոր ֆիզիկա:
Հակամատերիայի տեսությունը տիեզերագիտության մեջ. Կա՞ արդյոք «հակամատերիայի տիեզերք»։
Տիեզերագիտության մեջ վաղուց գոյություն ունեցող գաղափարներից մեկը տիեզերքի մեծ շրջանների՝ հակամատերիայի գերիշխող լինելու հնարավորությունն է, ինչպիսիք են հակամատերիայի գալակտիկաները կամ գալակտիկաների կույտերը: Եթե ճիշտ է, ապա նյութի և հակամատերիայի հատման սահմանը կառաջացնի մեծածավալ ոչնչացմանը բնորոշ գամմա ճառագայթներ:
Մինչ օրս աստղագիտական դիտարկումները չեն գտել «հակամատերիայի տիրույթի» առկայության ամուր ապացույցներ մոտ տիեզերական հեռավորությունների վրա: Գամմա ճառագայթների տվյալները և տիեզերական ճառագայթների չափումները հակված են ցույց տալու, որ դիտարկելի տիեզերքում գերակշռում է նյութը: Այնուամենայնիվ, որոնումները շարունակվում են, օրինակ՝ տիեզերքում դետեկտորների միջոցով, որոնք փնտրում են հակահելիումի միջուկներ կամ այլ չափազանց հազվագյուտ ծանր հակամասնիկներ:
Penutup
Հականյութի գոյության տեսությունը պարզապես ենթադրություն չէ, այլ ֆիզիկայի իրական մաս, որը ստուգվել է փորձերի միջոցով: Հականյութը գոյություն ունի որպես ռելյատիվիստական քվանտային մեխանիկայի հիմնարար հավասարումների նրբագեղ հետևանք, որը ապացուցվել է պոզիտրոնի հայտնաբերման, արագացուցիչներում հակամասնիկների առաջացման և հակաջրածնի ստեղծման միջոցով: Այնուամենայնիվ, ամենամեծ առեղծվածը մնում է. ինչո՞ւ է տիեզերքը «ընտրում» նյութը հակամատերիայի փոխարեն:
Այս հարցին պատասխանելու համար գիտնականները ստուգում են CP խախտումը՝ ճշգրիտ համեմատելով ջրածնի և հակաջրածնի հատկությունները և ուսումնասիրելով, թե ինչպես է հակամատերիան պահվում ձգողականության պայմաններում: Յուրաքանչյուր ավելի ու ավելի ճշգրիտ չափում կարող է բացել դռներ տիեզերքի ծագման, դրա հիմնարար օրենքների և, հնարավոր է, նույնիսկ Ստանդարտ մոդելից այն կողմ ֆիզիկայի վերաբերյալ նոր պատկերացումների համար: Հակմատերիան, վերջին հաշվով, ոչ միայն նյութի հակառակն է, այլև հայելի, որը կարող է բացահայտել, թե արդյոք բնության մասին մեր ըմբռնումն ամբողջական է, թե՞ այն դեռևս խորը գաղտնիքներ է պարունակում:
